DE69413410T2

DE69413410T2 - Abschmelzelektrodeverfahren zur herstellung von mikrolegierten produkten

Info

Publication number: DE69413410T2
Application number: DE69413410T
Authority: DE
Inventors: Robert C. Olley Pa 19547 Engleman; John G. Gilbertsville Pa 19525 Fisher; Charles Zionsville Pa 18092 Heatley; Louis Allentown Pa 18104 Huber; Prabhat Allentown Pa 18104 Kumar
Original assignee: Cabot Corp
Current assignee: Cabot Corp
Priority date: 1993-08-05
Filing date: 1994-07-27
Publication date: 1999-03-04
Anticipated expiration: 2014-07-28
Also published as: WO1995004836A1; US5846287A; DE69413410D1; EP0713537A1; AU7409194A; RU2139948C1; KR100354645B1; JPH09501736A; EP0713537B1; HK1016418A1; CN1053016C; CN1128546A; UA39889C2; US5411611A; TW353851B; KR100325962B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Legierungen und insbesondere ein Abschmelzelektrodenverfahren, das verbesserte Schmelzeigenschaften und eine gleichförmige Verteilung geringer Mengen wenigstens eines flüchtigen Legierungsmetalls durchgehend in einem Knetmetallprodukt bzw. Schweißmetalprodukts aufweist.

Hintergrund der Erfindung

Die Herstellung von hochschmelzenden Knetmetallprodukten, die geringe Mengen einer erwünschten Legierung enthalten, ist auf dem Gebiet der Abschmelzelektrodentechnologie gut bekannt. Im allgemeinen wird eine Stange oder eine Elektrode eines erwünschten Ausgangsmaterials in einem Halter elektrisch isoliert und innerhalb eines Behälters angeordnet, der den erhöhten thermischen Bedingungen widerstehen kann, von denen bekannt ist, daß sie mit Lichtbogenschmelzen verbunden sind. Eine Kathodenquelle oder Spitze wird an der Basis des Behälters angeordnet, so daß, wenn eine Spannung an die Elektrode von einer äußeren Stromversorgung angelegt wird, eine elektrische Entladung auftritt, die zwischen der Massequelle und der Anode an dem orderendabschnitt des Elektrodenkörpers abläuft. Die Hitze von dem Lichtbogen bewirkt das Schmelzen der Elektrode, die ihrerseits in den Behälter oder Schmelztiegel fällt. Nachdem die geschmolzene Menge abkühlt, wird sie zu einem Knetlegierungsprodukt verarbeitet.
Wo es erwünscht ist, zusätzliche Metalle mit dem Ausgangsmetall zu legieren, ist es bekannt, Abschnitte legierten Metalls hinzuzufügen, wie es in US 3,933,474 geoffenbart ist, oder Metallstreifen auf den Körper 10 zu schweißen, wie es in US 4,481,030 geoffenbart ist. Alternativ kann eine Vielzahl Metallkörper verwendet werden, von denen jeder aus einem erwünschten Ausgangsmaterial gebildet ist. Vergleiche bspw. US 2,958,913. Wo die Legierung an dem Elektrodenumfang in einer Weise angebracht wird, die die Legierung oberhalb des Umfangs der Elektrode anhebt, um einen Vorsprung zu bilden, tritt ein Lichtbogen häufig von diesem Punkt zu den Wänden des Behälters auf. Alternativ leiden Legierungsstreifen, die vertieft mit dem Umfang plan sind, auch an dem gleichen Problem aufgrund des niedrigeren, spezifischen Widerstands der Legierung, die einen Pfad mit geringerem Widerstand zu Masse darstellt. Wo die Legierung in der Form von geschweißten Streifen ist, läuft der Lichtbogen häufig an der Seite der Elektrode hinauf, was eine unstetige Erwärmung des gesammelten Metalls und ein Sprühen des Ausgangsmaterials auf die Wände des Schmelztiegels ergibt. Eine Beschädigung der Behälterwand und ungleichförmiges Schmelzen des Elektrodenkörpers ist häufig charakteristisch für diese Verfahren.
Ein anderes Problem, das diesen Verfahren nach dem Stand der Technik zu eigen ist, ist, daß die Lichtbogenbildung zu den Schmelztiegelwänden auch Verunreinigungen von der Wand einführt, die in den Barren eingeschmolzen werden.
Ein weiteres, diesen Verfahren nach dem Stand der Technik zu eigenes Problem ist, daß der Schmelzvorgang nicht gleichförmig ist, der Schmelzzyklus unterbrochen wird, den vollen Elektrodenkörper zu verbrauchen. Ein ungleichförmiges Schmelzen der Elektrode verlangt deshalb die Verwendung größerer Mengen an Ausgangsmaterial, um die Bildung eines erwünschten Barrengewichts zu gewährleisten.
Verschiedene Versuche sind gemacht worden, sekundäre Materialien in die Schmelze durch Sprühbeschichtung einzubringen. Siehe 3,271,828, die einen Sprühbeschichtungsfluß auf den Elektrodenkörper offenbart.
Andere Versuche haben das erwünschte Legierungsmaterial mittig in einem axialen Kern in dem Elektrodenkörper angeordnet, der von dem Ausgangsmetall umgeben ist. Siehe 1,085,951.
Keiner dieser früheren Versuche hat erreicht, den Lichtbogen ausreichend zu steuern, um ein gleichförmiges Schmelzen des Elektrodenkörpers zu ergeben oder eine gleichförmige Verteilung minimaler Legierungsmengen innerhalb einer größeren Menge Ausgangsmetall zu erreichen.
Eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist, eine erwünschte Legierungsmenge innerhalb einer größeren Menge Ausgangsmetall gleichzeitig mit der Schmelze des Abschmelzelektrodenkörpers zu verteilen.
Eine andere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist, eine glatte Elektrodenkörper- Lichtbogenoberfläche zu schaffen, die von Vorsprüngen frei ist und die die Lichtbogenbildung zu den Seitenwänden des Schmelztiegels minimiert.
Eine noch andere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist, eine Einrichtung zum Mischen der geschmolzenen Legierung mit dem geschmolzenen Ausgangsmaterial ohne Hinzufügung von Schmelztiegelverunreinigungen zu der geschmolzenen Menge zu schaffen. Ein Verfahren, das diese Probleme anspricht, wäre ein bedeutender Fortschritt auf dem Gebiet der Herstellung von legierten Knetmetallprodukten.

Zusammenfassung der Erfindung

Demgemäß umfaßt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bildung eines Knetmetallprodukts von einer Abschmelzelektrode, das umfaßt:
Bilden eines Elektrodenkörpers aus einem hochschmelzenden Metall als Ausgangsmaterial;
Aufbringen wenigstens einer ersten Schicht, die Legierungselemente mit einer gleichförmigen und durchschnittlichen Dicke von zwischen 0,076 und 0,76 Millimetern (0,003 und 0,03 Zoll) umfaßt, auf die Umfangsfläche des genannten Körpers, wobei die genannten Legierungselemente ein einzelnes Metall oder zwei oder mehrere Metalle sind, die chemisch zusammengeschmolzen sind;
Anordnen des genannten Elektrodenkörpers in der Nähe eines Schmelztiegels, der eine Erdungsquelle aufweist,
Hervorrufen einer Lichtbogenentladung ausreichender Temperatur zwischen dem genannten Körper und dem genannten Schmelztiegel, um ein im wesentlichen gleichmäßiges Schmelzen des Metalls in dem genannten Ausgangsmaterial und der Schicht hervorzurufen und ein Schmelzbad in dem genannten Schmelztiegel zu bilden, gleichzeitig das genannte Schmelzbad zu mischen, während fortlaufend der genannte Körper geschmolzen wird,
Erstarren des genannten Schmelzbads zu einem Barren, und
Bilden eines Knetmetallprodukts aus dem genannten Barren.
Die gleichförmige Schicht auf dem Elektrodenkörper liefert ein Mittel, um minimale Mengen an Legierungselementen in eine größere Menge Ausgangsmaterial abzugeben. Der beständige Lichtbogen erleichtert eine gleichförmige und beständige Mischung des Legierungselements(e) und des Ausgangsmaterials in dem Schmelztiegel.
Bei einer alternativen Ausführungsform wird eine zweite Schicht gleichförmiger Dicke über der ersten Schicht aufgebracht. Während die Erfinder nicht wünschen, an irgendeine besondere Theorie gebunden zu werden, tragen sie vor, daß bei den hohen Temperaturen, die mit dem Lichtbogen verbunden sind, Legierungselemente verdampfen, die niedrigere Schmelztemperaturen als die Ausgangsmetalle haben. Das sich ergebende, davon gebildete Knetmetallprodukt weist deshalb eine geringere Konzentration der erwünschten Legierung auf. Indem die erste Schicht mit einer zweiten gleichförmigen Schicht Ausgangsmetall beschichtet wird, kann die Verdampfung der Legierung verringert werden.
Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß das Aufbringen gleichförmiger Beschichtungsschichten auf den Elektrodenkörper die Lichtbogenbildung zwischen der Massequelle und dem Vorderabschnitt statt zu den Seitenwänden des Schmelztiegels fördert, wodurch eine Schmelztiegelbeschädigung, eine Verunreinigung des Barrens durch Schmelztiegelschmelze und die Systemabschaltzeit verringert werden.
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß, indem eine gleichförmige Lichtbogenbildung zwischen dem Elektrodenvorderende und der Kathode bereitgestellt wird, die unbeabsichtigte Abscheidung geschmolzenen Materials auf den Schmelztiegelwänden minimiert wird. Bei Verfahren nach dem Stand der Technik erstarrt der ansteigende Pegel des geschmolzenen Metalls um das abgeschiedene Material herum, wodurch rauhe Oberflächenbereiche auf dem Umfang des festen Barrens gebildet werden. Da diese Bereiche typischerweise abgeschliffen worden sind, wird eine entsprechende Menge wertvollen Barrenmaterials verloren.
Ein noch anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß die Mischwirkung, die durch die beständige Lichtbogenbildung gefördert wird, das Mischen der Legierungselemente durchgehend in dem geschmolzenen Vorrat unterstützt. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ergibt deshalb ein Knetmetallprodukt mit einer gleichförmigen Verteilung minimaler Mengen einer erwünschten Legierung in einer größeren Menge eines Ausgangsmaterials.
Die Erfindung umfaßt des weiteren einen hochschmelzenden Metallegierungsbarren gemäß dem Anspruch 8 und die zylindrische Elektrode gemäß dem Anspruch 10.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Andere Zielsetzungen, Merkmale und Vorteile werden für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet aus einer Betrachtung der folgenden Figuren zusammen mit der ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der Ansprüche offensichtlich, worin:
Fig. 1 eine Schnittansicht durch eine Längsachse 3 einer Abschmelzelektrode und eines Schmelztiegels nach dem Stand der Technik ist;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Elektrode der vorliegenden Erfindung ist, wenn entlang der Linie AA der Fig. 1 betrachtet wird;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht, wie in Fig. 2, einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 4A und 4B Kurvenschreiberaufzeichnungen des Energieverbrauchs während der Lichtbogenschmelzung der Elektrode sind, die in Fig. 1 dargestellt ist;
Fig. 5A, 5B, 6A und 6B weitere Kurvenschreiberaufzeichnungen wie in Fig. 4A und Fig. 4B sind, die die Verbesserung der Stabilität des Lichtbogens für die Elektrode der vorliegenden Erfindung darstellen, die in Fig. 2 ist und als eine alternative Ausführungsform 3 dargestellt ist;
Fig. 7 eine Mikroskopaufnahme der Kornstruktur des Knetmetallmetallprodukts ist, das durch das Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt worden ist, das im Beispiel 1 unten erörtert ist; und
Fig. 8A und 8B Mikroskopaufnahmen des Knetmetallprodukts der vorliegenden Erfindung sind, wobei eine Abschmelzmetallelektrode verwendet wird, die gemäß dem Verfahren des Beispiels 2 hergestellt worden ist, das unten erörtert ist.

Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

Bezugnehmend auf Fig. 1 wird ein Körper 10 einer Abschmelzmetallelektrode, die im Stand der Technik bekannt ist, gemäß Beispiel 1 hergestellt und hier gezeigt. Der Körper 10 ist symmetrisch um eine imaginäre Längsachse 3 ausgerichtet und ist aus einem Ausgangsmetall 5 gebildet. Das Ausgangsmaterial wird entweder durch chemische Reduktion oder ein Elektronenstrahlschmelzen hergestellt, gefolgt von Schmieden und Strangpresschritten die auf dem Gebiet bekannt sind. Vorzugsweise weist der Körper 10 eine zylindrische Form mit einer Umfangsfläche 15 und einem Vorderabschnitt 20 auf. Gemäß einem Verfahren nach dem Stand der Technik werden Legierungsstangen 23 an dem Umfang 15 des Körpers 10 durch bekannte Mittel, einschließlich Schweißens, befestigt. Der Körper wird elektrisch isoliert und durch einen Halter 17 nahe einem Schmelztiegel 25 so angeordnet, daß, wenn eine Ladung an den Körper 10 von einer Stromversorgung 27 angelegt wird, eine Lichtbogenbildung zwischen dem Vorderabschnitt 20 und einer Massequelle 30 auf dem Boden des Schmelztiegels 25 auftritt.
Der Schmelztiegel 25 ist von einem Kühlmantel 19 umgeben, durch den Wasser durch bekannte Mittel zirkuliert, um eine erwünschte Temperatur aufrechtzuerhalten. Eine Platte 13 befindet sich auf dem Boden des Schmelztiegels und ist vorzugsweise aus demselben Material wie das Ausgangsmaterial gebildet. Die Massequelle wird typischerweise aus einer geringen Menge Ausgangsmaterial, wie Tantal, gebildet und an der Platte 13 befestigt. Die Zusammensetzung des Schmelztiegels 25 ist auf dem Gebiet bekannt und kann aus einer Gruppe Metalle bestehen, die hohe Wärmeleitungskoeffizienten aufweisen.
Vor dem Start der Lichtbogenbildung wird ein Vakuumgehäuse (nicht gezeigt), das den Elektrodenkörper 10 und den Schmelztiegel 25 enthält, entweder von der Luft durch Unterdruck evakuiert oder durch Spülen mit einem Inertgas, wie Argon.
Die Stromversorgung 27 kann eine beständige Ladung an den Elektrodenkörper 10 liefern und kann von Hand oder durch einen Steuermechanismus zur fortlaufenden Verarbeitung betätigt werden. Der Verwendung einer Wechselstromversorgung zu eigen ist die zyklische Art des Lichtbogens; Erlöschen und erneut Zünden mit jedem Spannungszyklus. Da sich die Plasmaerzeugung in der Lichtbogenschmelzzone schneller in einer Vakuumumgebung zerstreut, ist die Beibehaltung eines stabilen, fortlaufenden Lichtbogens äußerst erwünscht, um eine gleichförmige Schmelze zu gewährleisten.
Es ist auch bekannt, daß die Leistungsanforderung an die Stromversorgung eine Funktion des Durchmessers der Elektrode "D" und des Plasmaerzeugungsvermögens "P" des Ausgangsmaterials der Elektrode ist, wie es durch die Formel zu sehen ist:
D = 12,13 - 1,93P
Werte für P stehen in der Literatur zur Verfügung und sind dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet bekannt.
Verfahren nach dem Stand der Technik, die ein ungleichförmiges Schmelzen der Elektrode ergeben, ergeben eine weitere Destabilisierung des Lichtbogens und ein unregelmäßiges Temperaturprofil in der Schmelzzone. Während die genaue Leistung, die verlangt wird, von der verwendeten Ladung und den Schmelztemperaturen des verwendeten Abschmelzelektrodenmaterials 5 abhängt, wurden ungefähr 16.000 bis 18.500 Ampere hier bei weniger als 60 Volt verwendet.
Beim Betrieb veranlaßt die Temperatur des Lichtbogens ein fortlaufendes Schmelzen des Körpers 10, wobei an dem Vorderabschnitt 20 begonnen wird. Das Ausgangsmetall 5 bildet eine geschmolzene Menge (nicht gezeigt) in dem Schmelztiegel 25 durch Eigengewichtzuführung. Die geschmolzene Menge kann in dem Schmelztiegel abkühlen, während er im Vakuum verbleibt. Sie wird dann mechanisch verarbeitet, bevor sie Glühtemperaturen von ungefähr 1000 bis 1500ºC ausgesetzt wird und zu einem erwünschten Knetmetallprodukt gebildet wird. Das Abschmelzelektrodenverfahren hat den Vorteil, daß es fähig ist, große Barren zu bilden, wie jene mit einem Gewicht des Ausgangsmaterials von bis zu 2268 Kilogramm (5000 Pfund).
Fig. 2 stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Der Abschmelzelektrodenkörper 10 ist aus einem Ausgangsmaterial 5 gebildet, das einen hochschmelzendes Metall und vorzugsweise Tantal, Niobium oder Legierungen davon ist. Zumindest eine Legierungsschicht 40 ist gleichförmig auf der Oberfläche des Körpers 10 durch bekannte Verfahren auf dem Gebiet abgeschieden. Vorzugsweise wird die Schicht durch Plasmasprühen auf der Umfangsfläche 15 des Elektrodenkörpers gemäß dem Verfahren des Beispiels 2 abgeschieden, das unten erörtert ist. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Schicht durch Glavanotechniken abgeschieden werden. Der Ausdruck "gleichförmige Dicke" ist nachfolgend als eine Durchschnittsdicke von zwischen 0,00762 und 0,0762 Zentimeter (0,003 und 0,030 Zoll) definiert. Eine geringere Dicke kann eine unzureichende Schicht über der gesamten Oberfläche ergeben, und eine höhere Dicke kann eine ungeeignete Verbindung mit der Elektrodenoberfläche ergeben. Während der Ausdruck "Legierung" hier hauptsächlich betrachtet wird, zwei oder mehrere Metalle zu umfassen, die chemisch verschmolzen sind, um ein neues Metall zu bilden, zieht die Erfindung in Betracht, daß der Ausdruck auch ein einzelnes Metall, wie Tantal bedeuten soll. Vorzugsweise enthält die erste Legierungsschicht 40 ausreichende Mengen, um weniger als 2000 ppm Yttriumnitrid und Silicium in dem Barren zu ergeben.
Eine Stromversorgung 27 mit der Möglichkeit, 60 Volt oder weniger bei weniger als 20.000 Ampere zu liefern, wird durch die vorliegende Erfindung zum Schmelzen eines Tantal-Ausgangsmetalls 5 und einer ersten Legierung 40 in Betracht gezogen.
Die Erfinder haben entdeckt, daß durch das Aufbringen einer gleichförmigen Beschichtung auf den Umfang eines Elektrodenkörpers 10 ein beständiger, fokussierter Lichtbogen mit der Massequelle 30 gebildet wird, der das Vermischen der geschmolzenen Menge fördert, während gleichzeitig ein fortlaufender Strom Ausgangsmaterial und erster Legierung der geschmolzenen Menge hinzugefügt wird.
Bezugnehmend auf Fig. 3 wurde eine alternative Ausführungsform einer Abschmelzelektrode gemäß dem Verfahren des Beispiels 3 hergestellt. Eine zweite Legierungsschicht 45 wurde auf dem Umfang 15 mit einer gleichförmigen Dicke aufgebracht. Wie es oben angegeben worden ist, haben die Erfinder die Theorie, daß das Aufbringen einer zweiten Schicht die Veränderbarkeit bei der Lichtbogenbildung weiter verringert. Die zweite Legierungsschicht kann auch weiter eine verbesserte Kornstruktur aufgrund einer gleichförmigeren Verteilung von Legierungselementen in dem Barren ergeben.
Die zweite Materialschicht ist vorzugsweise identisch oder ähnlich mit dem Ausgangsmetall. Zum Zweck der Einfachheit wurde Tantalmetall hier sowohl als Ausgangsmetall als auch als zweite Beschichtungsschicht verwendet.
Bezugnehmend auf die Fig. 4A und 4B werden zwei Kurvenaufzeichnungen vorgelegt, die die Spannungs- und Stromanforderungen bei einer Abschmelzelektrode der Fig. 1 nach dem Stand der Technik darstellen, wobei als Ausgangsmaterial Tantal verwendet wird. Wie man ohne weiteres sehen kann, wurde eine mittlere Ladung von 18.251 Ampere verwendet und eine mittlere Spannung von 46 Volt wurde verwendet. Die Kurven zeigen eine Spannungsabweichung von dem Mittel von ungefähr 4,5 Volt. Ziemlich heftige Kurzschlüsse mit den Wänden des Schmelztiegels ergaben einen Barren mit einer groben Oberflächencharakteristik und ergaben nach der Bearbeitung 89% des erstarrten Barrengewichts. Die maximale Schmelzrate, die erreicht wurde, war 14,5 Kilogramm (32 Pfund) pro Minute. Die Erfinder erklären, daß die unregelmäßige Lichtbogenbildung durch die Legierungsstreifen kommt, die auf den Oberflächenumfang der Abschmelzelektrode geschweißt sind und einen geringeren elektrischen Widerstandsweg zu Masse darstellen.
Bezugnehmend auf Fig. 5A und B sind zwei Kurvenaufzeichnungen dargestellt, die die Spannung und den Strom der abschmelzbaren Elektrode der Fig. 2 darstellen. Wie es unten beim Beispiel 2 erörtert ist, wurde eine Hauptlegierungsmischung aus Silicium, Yttriumnitrid und Tantal durch Sprühbeschichtung mit einer Dicke von ungefähr 0.0762 Zentimeter (0,030 Zoll) aufgebracht. Es wurden verringerte Werte der mittleren Spannung von 41 Volt und des mittleren Stroms von 16.707 A verwendet. Es wurden auch Standardabweichungen für die Spannung von 4,44 Volt und von 116 A erreicht. Dies stellt ungefähr eine 12% Verringerung der verwendeten mittleren Spannung und einer 8% Verringerung bei dem Strom dar, der zum Schmelzen der Elektrode benötigt wird.
Bei einem Gesamtgewicht des Barrens von 1740,4 Kilogramm (3837 Pfund) wurde eine verbesserte maximale Schmelzrate von 20,9 Kilogramm (46 Pfund) pro Minute erreicht. Dies stellt eine Zunahme der Schmelzrate in bezug auf die Elektrode der Fig. 4 von ungefähr 43% dar. Die beständige Lichtbogenbildung von dem Vorderabschnitt der Elektrode ergab, daß eine verringerte Bearbeitung der Barrenoberfläche verlangt wurde, und ein Endgewicht von 93,6% des erstarrten Barren.
Bezugnehmend auf Fig. 6A und 6B sind zwei Kurvenaufzeichnungen des Energieverbrauchs der mit zwei Schichten beschichteten Abschmelzelektrode dargestellt, die in Fig. 3 gezeigt ist. Eine Verbesserung der Lichtbogenstabilität bei der Elektrode der Fig. 2 von ungefähr 44% der Standardabweichung der Lichtbogenbildung bei einer mittleren Spannung von 41 wurde unter Verwendung der Schicht 45 erreicht. Zusätzlich haben die Erfinder entdeckt, daß das Aufbringen der zweiten Schicht 45 auf die Abschmelzelektrode 10 auch eine geringfügige Verbesserung bei der Schmelzrate von ungefähr 4% gegenüber der Rate der einzeln beschichteten Elektrode der Fig. 2 ergibt.
Bezugnehmend auf Fig. 7 ist eine Mikroskopaufnahme der Kornstruktur eines gemäß dem Verfahren des Beispiels 1 geschmolzenen Barrens dargestellt. Sowohl die große Korngröße als auch ein unvollständiges Glühen sind offensichtlich.
Die Erfinder sind der Auffassung, daß die gleichförmige Lichtbogencharakteristik der Elektroden der Beispiele 2 und 3 das Mischen und die gleichförmige Verteilung der Legierung innerhalb der geschmolzenen Barrenmenge erleichtert. Es ist gut bekannt, daß die Gegenwart von Mengen an Silicium und Yttriumnitrid in einer Tantalmatrix wirkt, Korngrenzen festzulegen, wodurch ein Kornwachstum bei Schmelztemperaturen verhindert wird. (Vgl. US Patent Nr. 5,171,379, das dem Eigentümer der vorliegenden Er findung, Cabot Corporation, gemeinsam übertragen worden ist). Die Fig. 8A und 8B stellen geglühtes Material dar, das von dem durch die Abschmelzelektroden gemäß dem Beispiel 2 erzeugten Barren genommen wurde. Eine gleichförmige Kornstruktur ist klar offensichtlich. Dies steht im Gegensatz zu der vergrößerten und gleichförmigeren Korngröße der Fig. 7.
Die Zielsetzungen, Vorteile und Beschreibungen, die oben angegeben worden sind, sind des weiteren durch die folgenden, nichteinschränkenden Beispiele gestützt.

Beispiel 1

Ein Körper einer Abschmelzmetallelektrode von ungefähr 1523 Kilogramm (3357 Pfund) wurde hergestellt, indem Pulver von einem Tantalbarren Schmieden und Strangpressen durch allgemein bekannter Verfahren ausgesetzt wurde, um einen Elektrodenabschnitt zu erreichen, der einen Durchmesser von ungefähr 22,86 Zentimeter (9 Zoll) (für einen Barren mit einem Durchmesser von 33 Zentimeter (13 Zoll)) aufweist. Der Elektrodenkörper war von allgemein zylindrischer Form mit einer Umfangsfläche und einem Vorderabschnitt. Gemäß den Verfahren nach dem Stand der Technik wurden rechtwinklig beabstandete Legierungsstangen auf den Umfang der Elektrode geschweißt. Die Stangen hatten einen Gesamtlegierungsinhalt von weniger als 2000 ppm mit ungefähr 400 ppm Yttriumnitrid und 100 ppm Silicium. Der Körper war elektrisch isoliert und mittels Halteteilen in dem Schmelztiegel und Ofen angeordnet. Vor dem Beginn einer Lichtbogenbildung wurde das Ofengehäuse, das den Elektrodenkörper und den Schmelztiegel enthielt, von Luft evakuiert, indem ein Unterdruck von ungefähr 2 bis 8 · 10&supmin;³ Torr hergestellt wurde. Alternativ kann die Luft durch ein Inertgas, wie Argon, verdrängt werden.
Nach dem Wiegen der Elektrode wurde ein Startstrom von zwischen 2000 und 2500 Kiloampere an die Elektrode angelegt und es wurde ein Lichtbogen von ungefähr 1,27 Zentimeter (0,5 Zoll) gezündet. Die Lichtbogenbildung, die zwischen dem Vorderabschnitt und der Massequelle auf dem Boden des Schmelztiegels auftrat, ergab eine kleine Menge geschmolzener Elektrode in dem aufnehmenden Schmelztiegel auf einer Tantalplatte, die ungefähr 138,8 Kilogramm (306 Pfund) wog. Das Mischen der geschmolzenen Menge trat als Ergebnis der Bewegung des Lichtbogens über die Oberflä che des Elektrodenvorderendes auf. Die Massequelle wurde aus einer geringen Menge Ausgangsmetall gebildet.
Nach einer Dauer von 56 Minuten stabilisierten sich die Stromanforderungen für die Schmelze auf einem Niveau von ungefähr 18.500 A. Ein fortlaufender Elektrodenantriebsmechanismus wurde gestartet, der das Vorderende der Elektrode ungefähr 1,27 Zentimeter (0,5 Zoll) von der Oberfläche der geschmolzenen Menge beibehielt. Die Spannung änderte sich um ein Mittel von 46,13 Volt herum bis zu einer maximalen Spannung von 55,30 Volt und einer minimalen Spannung von 35,40 Volt während einer Schmelzdauer von 114 Minuten.
Die Art der verwendeten Stromversorgung ist dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet allgemein bekannt und ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine konstante Ladung von 20.000 Ampere oder weniger bei ungefähr 60 Volt liefern kann.
Beim Betrieb schmolz die Temperatur des Lichtbogens die Elektrode, wobei an dem Vorderabschnitt begonnen wurde. Das geschmolzene Ausgangsmetall wurde in dem Schmelztiegel als eine Menge durch Eigengewichtszuführung gesammelt. Die geschmolzene Menge ließ man bei Umgebungstemperaturbedingungen abkühlen, während sie im Vakuum war. Den gekühlten Barren ließ man dann im Vakuum abkühlen, bevor die Platte von dem Barren abgetrennt wurde. Der Barren hatte ein Gewicht von 1336,75 Kilogramm (2947 Pfund). Der Barren wurde dann gesäubert und auf Glattheit oberflächenbearbeitet. Das sich ergebende Endgewicht war 1190,2 Kilogramm (2624 Pfund), was ungefähr 89% des erstarrten Barrens ist.
Der Barren hatte einen Brinell-Härtewert von zwischen 3,8 bis 4,5. Der Barren wurde dann zu einem erwünschten Knetmetallprodukt verarbeitet.
Bei einer Ausführungsform zeigten analytische Werte von Proben, die von dem Knetmetallprodukt genommen worden sind, 9 bis 13 ppm nach dem Gewicht an Kohlenstoff, 64 bis 127 ppm nach dem Gewicht an Sauerstoff, 9 ppm nach dem Gewicht an Stickstoff, 4 ppm nach dem Gewicht an Wasserstoff, 1 bis 15 ppm nach dem Gewicht an Silicium und ungefähr 5 ppm nach dem Gewicht an Yttrium.

Härtmeßverfahren

Das Knetmetallprodukt wurde dann radial geschnitten und es wurden Proben über den Durchmesser des Schnitts genommen. Die Rockwell-B-Härtewerte wurden erhalten, indem eine mit den ASTM, E-18 Standardprüfverfahren übereinstimmendes Verfahren verwendet wurde.

Beispiel 2

Eine Abschmelzelektrode wurde durch das Verfahren des Anspruchs 1 mit einem Gesamtgewicht von 1339,5 Kilogramm (2953 Pfund) hergestellt. Eine Hauptmischung aus Legierungsmetallen und Tantalpulver wurde hergestellt, indem 0,58 Kilogramm (1,28 Pfund) Silicium, 0,14 Kilogramm (0,32 Pfund) Yttriumnitrid und 2,5 Kilogramm (5,59 Pfund) Tantal vermischt wurden. Vor der Anwendung der Legierungsmischung auf den Barren wurde der Barren gesäubert und sandgestrahlt. Der Barren wurde dann auf einer Drehbank zentriert, die eine Plasmakanone axial während des Sprühens bewegte. Mit der Hauptmischung wurde dann durch Plasmasprühen die Oberfläche des Elektrodenkörpers unter einer Argonschutzatmosphäre beschichtet. Die Dicke der Beschichtung war zwischen ungefähr 0,0127 und 0,0762 Zentimeter (0,005 und 0,030 Zoll).
Der beschichtete Elektrodenkörper wurde dann in einem Vakuum- Lichtbogenschmelzofen angeordnet, wo er durch einen nichtleitenden Halter befestigt und mit einer Anfangsladung von ungefähr 2000 bis 2500 Ampere verbunden wurde. Ein stabiler Strom von 16.707 wurde nach einer Dauer von 17 Minuten erreicht. Es wurde eine mittlere Spannung von 40,80 Volt mit einem Maximum von 49,40 Volt und einem Minimum von 32,10 Volt verwendet. Das geschmolzene Metall, das durch die sich ergebende Lichtbogentemperatur erzeugt wurde, wurde durch das Eigengewicht dem Lichtbogen zugeführt, wo es erstarrte. Nach dem Abschneiden der Platte hatte der Barren ein Gewicht von 981,6 Kilogramm (2164 Pfund). Der Barren wurde dann gesäubert und auf Glattheit oberflächenbearbeitet, was ein Endgewicht von 918,5 Kilogramm (2025 Pfund) oder 93,6% seines anfänglichen, erstarrten Gewichts ergab.
Der Barren hatte eine Brinell-Härte von zwischen 4,5 und 4,7. Der Barren wurde dann zu Knetmetallprodukten verarbeitet.

Beispiel 3

Eine Abschmelzelektrode wurde durch das Verfahren des Anspruchs 2 mit einem Gewicht von 1595,7 Kilogramm (3518 Pfund) hergestellt. Eine Hauptmischung aus Legierungsmetallen und Tantalpulver wurde hergestellt, indem 0,58 Kilogramm (1,28 Pfund) Silicium, 0,14 Kilogramm (0,32 Pfund) Yttriumnitrid und 2,53 Kilogramm (5,59 Pfund) Tantal vermischt wurden. Die Hauptmischung wurde dann auf einer Drehbank zentriert, die eine Plasmakanone axial während des Sprühens bewegte. Die Hauptmischung wurde dann durch Plasmasprühen auf der Oberfläche des Elektrodenkörpers unter einer Argonschutzatmosphäre beschichtet. Die Dicke der Beschichtung war zwischen ungefähr 0,0127 und 0,0762 Zentimeter (0,005 und 0,030 Zoll). Eine zweite Beschichtung aus Tantalpulver wurde dann durch Plasmasprühen mit einer Dicke von 0,0127 und 0,0762 Zentimeter (0,005 und 0,030 Zoll) aufgebracht. Der mit zwei Schichten beschichtete Elektrodenkörper wurde dann in einem Vakuum-Lichtbogen-Ofen angeordnet, wo er durch einen nichtleitenden Halter befestigt und mit einer Anfangsladung von ungefähr 2000 bis 2500 Ampere verbunden wurde. Ein stabiler Strom wurde nach 14 Minuten erreicht. Ein mittlerer Stromwert von 16.740 wurde bei einer mittleren Spannung von 42,34 Volt erreicht. Nach dem Abtragen von Oberflächenunregelmäßigkeiten und dem Entfernen der Platte hatte der Barren ein Endgewicht von ungefähr 1428,80 Kilogramm (3150 Pfund) oder ungefähr 92,5% des erstarrten Barrengewichts.
Der Barren hatte einen Brinell-Härtewert von zwischen 4,6 und 4,8. Der Barren wurde dann zu Knetmetallprodukten verarbeitet.

Claims

1. Ein Verfahren zur Bildung eines Schweißmetallprodukts von einer Abschmelzelektrode, das umfaßt:

Bilden eines Elektrodenkörpers aus einem hochschmelzenden Metall als Ausgangsmaterial;

Aufbringen wenigstens einer ersten Schicht, die Legierungselemente mit einer gleichförmigen und durchschnittlichen Dicke von zwischen 0,076 und 0,76 Millimetern (0,003 und 0,03 Zoll) umfaßt, auf die Umfangsfläche des genannten Körpers, wobei die genannten Legierungselemente ein einzelnes Metall oder zwei oder mehrere Metalle sind, die chemisch zusammengeschmolzen sind;

Anordnen des genannten Elektrodenkörpers in der Nähe eines Schmelztiegels, der eine Erdungsquelle aufweist,

Hervorrufen einer Lichtbogenentladung ausreichender Temperatur zwischen dem genannten Körper und dem genannten Schmelztiegel, um ein im wesentlichen gleichmäßiges Schmelzen des Metalls in dem genannten Ausgangsmaterial und der Schicht hervorzurufen und ein Schmelzbad in dem genannten Schmelztiegel zu bilden,

gleichzeitig das genannte Schmelzbad zu mischen, während fortlaufend der genannte Körper geschmolzen wird,

Erstarren des genannten Schmelzbads zu einem Barren, und

Bilden eines Legierungsmetallprodukts aus dem genannten Barren.

2. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das genannte Ausgangsmetall Tantal, Niobium oder Legierungen oder Mischungen davon sind.

3. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die genannte erste Schicht von Legierungselementen weniger als 1 Gewichtsprozent des genannten Ausgangsmaterials umfaßt, wobei die genannten Legierungselemente aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Yttriumnitrid, Silicium und Tantal besteht.

4. Ein Verfahren gemäß irgendeinem vorhergehenden Anspruch, das umfaßt, über der genannten ersten Schicht eine Schicht aus hochschmelzendem Metall oder einer Legierung davon mit gleichförmiger Dicke vorn zwischen 0,0762 und 0,762 mm (0,003 bis 0,03 Zoll) aufzubringen.

5. Ein Verfahren gemäß irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei die genannten Schichten durch Plasmasprühen aufgebracht werden.

6. Ein Verfahren gemäß irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei der genannte Lichtbogen durch Anlegen eines elektrischen Stroms von weniger als 20. 000 Ampere, angewendet bei 60 Volt oder weniger, hervorgerufen wird.

7. Ein Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei sich der angelegte Strom um weniger als 1% des Durchschnittsstroms ändert, der an die Elektrode während eines Schmelzzyklus angelegt wird.

8. Ein hochschmelzender Metallegierungsbarren, der Tantal oder Niobium oder eine Legierung davon als ein Matrixmaterial und gleichförmig verteilte Legierungselemente umfaßt, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Silicium, Yttriumnitrid und Tantal besteht, wobei die genannten Legierungselemente weniger als 1 Gewichtsprozent des genannten Matrixmaterials umfassen und wobei der genannte Barren eine Brinell-Härte größer als 4,5 aufweist.

9. Ein Barren gemäß Anspruch 8, der 5 bis 100 ppm nach dem Gewicht an Kohlenstoff, 10 bis 200 ppm nach dem Gewicht an Sauerstoff, 5 bis 200 ppm nach dem Gewicht an Stickstoff, 1 bis 1000 ppm nach dem Gewicht an Silicium und 1 bis 1000 ppm nach dem Gewicht an Yttrium umfaßt.

10. Eine zylindrische Elektrode zur Verwendung bei einer Lichtbogenschmelzung, die einen Körper mit einer Umfangsfläche und einen Vorderabschnitt aufweist, wobei der genannte Körper hochschmelzendes Metall umfaßt, das auf seiner Umfangsfläche wenigstens eine Schicht gleichförmig abgeschiedener, hochschmelzender Metallegierungselemente aufweist, wobei jede der genannten Schichten aus Legierungselementen eine gleichförmige und durchschnittliche Dicke von zwischen 0,076 und 0,76 Millimeter (0,003 und 0,03 Zoll) aufweist, und wobei die genannten Legierungselemente ein einziges Metall oder zwei oder mehrere Metalle sind, die chemisch zusammengeschmolzen sind.

11. Eine Elektrode gemäß Anspruch 10, die eine erste Schicht aus Legierungselementen und eine zweite Schicht aus hochschmelzendem Metall umfaßt.

12. Eine Elektrode gemäß Anspruch 11 zur Verwendung bei einer Vakuum-Lichtbogenschmelzung, die einen Körper mit einer Längsachse und einer Umfangsfläche und einen nichtleitenden Halter umfaßt, wobei der genannte Körper einen Vorderabschnitt aufweist, der axial von dem genannten Halter beabstandet ist, der genannte Körper aus einem elektrisch und thermisch leitenden Material gebildet ist, das wenigstens Tantalmetall einschließt, der genannte Körper des weiteren eine erste und eine zweite Schicht einschließt, die jeweils eine gleichförmige und mittlere Dicke zwischen 0,076 und 0,76 Millimetern auf der genannten Umfangsfläche aufweist, die genannte erste und zweite Schicht Legierungselemente umfaßt, die aus Yttriumnitrid, Silicium und Tantal mit einer Menge von weniger als 1 Gew.-% des genannten Körpers ausgewählt sind, die genannte erste Schicht eine niedrigere Schmelztemperatur als die Schmelztemperatur des genannten Ausgangsmaterials hat, die genannte erste und zweite Schicht die gleichförmige Verteilung der Lichtbogenladung während der Vakuum-Lichtbogenschmelzung erleichtert.